第17章-可控硅及其應(yīng)用課件

別名：可控硅（SCR)

是一種大功率半導(dǎo)體器件，出現(xiàn)于70年代。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。

特點(diǎn)：體積小、重量輕、無噪聲、壽命長(zhǎng)、容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。應(yīng)用領(lǐng)域：整流（交流直流）逆變（直流交流）變頻（交流交流）斬波（直流直流）此外還可作無觸點(diǎn)開關(guān)等。晶閘管符號(hào)AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK2.工作原理陽(yáng)極陰極控制極APPNNNPGKig?ig??igKAGT1T2等效為由二個(gè)三極管組成UGKUAKT1、T2都導(dǎo)通后，即使去掉UGK，T1、T2仍然導(dǎo)通RL(1)陽(yáng)極A加反向電壓，或不加觸發(fā)信號(hào)（即UGK=0）?？煽毓鑼?dǎo)通的條件：（1）陽(yáng)極A加正電壓（2）控制極G加正的觸發(fā)電壓可控硅截止的條件：(2)可控硅正向?qū)ê螅袅钇潢P(guān)斷，必須減小UAK（或使UAK反向），使可控硅中電流小于某一最小電流IH

（IH稱為維持電流）Aig?ig??igKGT1T2UAKRLUGKAKG（1）晶閘管具有單向?qū)щ娦?。若使其關(guān)斷，必須降低UAK或加大回路電阻，把陽(yáng)極電流減小到維持電流以下。正向?qū)l件：A、K間加正向電壓，G、K間加正的觸發(fā)信號(hào)。晶閘管的工作原理小結(jié)（2）晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極便失去作用。17.2特性與參數(shù)1.特性UIIHIFIG=0時(shí)有IG時(shí)正向反向U--陽(yáng)極、陰極間的電壓

I--陽(yáng)極電流UDSM正向轉(zhuǎn)折電壓截止導(dǎo)通導(dǎo)通后管壓降約1V額定正向平均電流維持電流URSM反向擊穿電壓正向特性：控制極開路時(shí)，隨UAK的加大，陽(yáng)極電流逐漸增加。當(dāng)U=UDSM（正向轉(zhuǎn)折電壓）時(shí)，晶閘管自動(dòng)導(dǎo)通。正常工作時(shí)，

UAK應(yīng)小于UDSM

。反向特性：隨反向電壓的增加，反向漏電流稍有增加，當(dāng)U=URSM

（反向擊穿電壓）時(shí)，反向擊穿。正常工作時(shí)，反向電壓必須小于URSM。(1)UDRM：正向阻斷電壓晶閘管耐壓值。一般取UDRM

=80%UDSM

（正向轉(zhuǎn)折電壓）。普通晶閘管UDRM

為100V---3000V2.主要參數(shù)UIIHIF額定正向平均電流UDSM正向轉(zhuǎn)折電壓URSM反向擊穿電壓UDRM控制極斷路時(shí)，可以重復(fù)作用在晶閘管上的反向重復(fù)電壓。一般取URRM=80%URSM（反向擊穿電壓）。普通晶閘管URRM為100V--3000V）(2)URRM：反向峰值電壓UIIHIF額定正向平均電流UDSM正向轉(zhuǎn)折電壓URSM反向擊穿電壓UDRMURRM

(3)IF：額定正向平均電流：通用系列為：1、5、10、 20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A等14種規(guī)格。UIIHIF額定正向平均電流UDSM正向轉(zhuǎn)折電壓URSM反向擊穿電壓UDRMURRM晶閘管的主要參數(shù)

1）電壓定額

(1)正向轉(zhuǎn)折電壓UBO。

(2)正向阻斷重復(fù)峰值電壓UVM。

(3)反向重復(fù)峰值電壓URM

。

(4)通態(tài)平均電壓UF。

(5)額定電壓UD。1)額定正向平均電流IF2)維持電流IH

4．控制極定額

1)控制極觸發(fā)電壓UG和觸發(fā)電流IG2)控制極反向電壓UGR晶閘管的型號(hào)

國(guó)產(chǎn)晶閘管的型號(hào)有兩種表示方法,即KP系列和3CT系列。額定通態(tài)平均電流的系列為1、5、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、900、1000(A)等14種規(guī)格。

額定電壓在1000V以下的,每100V為一級(jí);1000V到3000V的每200V為一級(jí),用百位數(shù)或千位及百位數(shù)組合表示級(jí)數(shù)。

KP系列表示參數(shù)。其通態(tài)平均電壓分為9級(jí),用A～I(xiàn)各字母表示0.4～1.2V的范圍,每隔0.1V為一級(jí)。例如,型號(hào)為KP200-10D,表示IF=200A、UD=1000V、UF=0.7V的普通型晶閘管。

3CT系列表示參數(shù)的方式如圖11.7所示。CT系列參數(shù)表示方式

普通晶閘管質(zhì)量粗測(cè)

1．測(cè)量可控硅內(nèi)部的PN結(jié)可控硅的內(nèi)部有三個(gè)PN結(jié),這三個(gè)PN結(jié)的好壞直接影響可控硅的質(zhì)量。所以使用可控硅之前,應(yīng)該先對(duì)這三個(gè)PN結(jié)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法如圖所示?？煽毓璧臏y(cè)量

2．測(cè)量可控硅的關(guān)斷狀態(tài)可控硅在反向連接時(shí)是不導(dǎo)通的,如果可控硅正向連接,但是沒有控制電壓,它也是不導(dǎo)通的。在這兩種情況下,可控硅中間沒有電流流過,屬于關(guān)斷狀態(tài)。把萬用表置在R×1k(或R×10k)擋,黑表棒接可控硅的陽(yáng)極a,紅表棒接陰極k,可控硅屬于正向連接,表上顯示的電阻應(yīng)很大,把兩根表棒對(duì)換后,再分別接可控硅的陽(yáng)極和陰極,使可控硅處于反向連接狀態(tài),表上顯示的電阻仍然應(yīng)該很大,如圖所示。

3．測(cè)量可控硅的觸發(fā)能力檢查小功率晶閘管觸發(fā)電路如圖所示。萬用表置于R×1(或R×10)擋。測(cè)量分兩步進(jìn)行:第一步,先斷開開關(guān)S,此時(shí)晶閘管尚未導(dǎo)通,測(cè)出的電阻值應(yīng)是無窮大。然后合上開關(guān),將控制極與陽(yáng)極接通,使控制極電位升高,這相當(dāng)于加上正觸發(fā)信號(hào),因此晶閘管導(dǎo)通,此時(shí),其電阻值為幾歐至幾十歐。第二步,再把開關(guān)斷開,若阻值不變,證明晶閘管質(zhì)量良好。檢查小功率晶閘管的觸發(fā)能力

圖中的開關(guān)可用一根導(dǎo)線代替,導(dǎo)線的一端固定在陽(yáng)極上,另一端搭在控制極上時(shí)相當(dāng)于開關(guān)閉合。本方法僅適用于檢查KP1～KP5等小功率晶閘管或小功率快速晶閘管。對(duì)于大功率晶閘管,因其通態(tài)壓降較大,加之R×1擋提供的陽(yáng)極電流低于維持電流IH,所以晶閘管不能完全導(dǎo)通,在開關(guān)斷開時(shí)晶閘管會(huì)隨時(shí)之關(guān)斷。此時(shí),可采用雙表法,把兩只萬用表的R×1(Ω)擋串聯(lián)起來使用,得到3V電源電壓。具體檢測(cè)步驟同小功率晶閘管。17.3可控整流電路1.單相半波可控整流電路(1)電路及工作原理u1u2uTuLAGKRLuG(2)工作波形(設(shè)u1為正弦波)tu2tuGtuLtuT：控制角：導(dǎo)通角u2>0時(shí)，加上觸發(fā)電壓uG

，晶閘管導(dǎo)通。且uL

的大小隨uG

加入的早晚而變化；

u2<0時(shí)，晶閘管不通，uL=0。故稱可控整流。u1u2uTuLAGKRLuG(3)輸出電壓及電流的平均值pò=awptduULL21ò=pawwpttdUsin2212LLLRUI=tuL2UDRM=

22

U承受的最高反向電壓:tuT電感性負(fù)載（如直流電動(dòng)機(jī)的激磁線圈）電路及工作原理D由于電感反電動(dòng)勢(shì)的存在，晶閘管在一定時(shí)間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔谩＝鉀Q辦法：加續(xù)流二極管D,加入D的目的就是消除反電動(dòng)勢(shì)的影響，使晶閘管在u2過零時(shí)關(guān)斷GAuLu1u2uTRKL+–

u2正半周時(shí)晶閘管導(dǎo)通，u2過零后，電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。T2RLD1u2(A)u2(B)

u2<0的導(dǎo)通路徑：T1、T2--晶閘管D1、D2--晶體管T1T2D1D2RLuLu2AB+-uGT2

、D1導(dǎo)通，T1

、D2截止(3)輸出電壓及電流的平均值ò=pawp)(1LtduULò=pawwp)(sin212ttdULLLRUI=tuL2例：橋式可控整流電路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15~180，求輸出電壓平均值Uo的調(diào)節(jié)范圍，以及可控硅（包括二極管）的電流平均值的最大值和承受的最大反向電壓。T1T2D1D2RLuLu2AB+-UL=191V，=15=0V，=180LLLRUI==191/3=64AUDRM=22U承受的最高反向電壓:=311V二、電感性負(fù)載橋式可控整流電路該電路加續(xù)流二極管后電路工作情況以及負(fù)載上的電流、電壓和電阻性負(fù)載類似。u2T1T2D1D2DuLRL兩種常用可控整流電路的特點(diǎn)電路特點(diǎn)1.該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。2.晶閘管和負(fù)載上的電流相同。電路一：u2TD2D1D4uLRLD3T1T2D1D2u2uLRL電路特點(diǎn)1.該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，D1、D2

便起續(xù)流二極管作用。2.由于T1的陽(yáng)極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。電路二：17.4觸發(fā)電路1.單結(jié)晶體管工作原理結(jié)構(gòu)等效電路E（發(fā)射極）B2（第二基極）B1（第一基極）NPEB2B1RB2RB1管內(nèi)基極體電阻PN結(jié)工作原理：當(dāng)uE<UP=UA+UF

時(shí)PN結(jié)反偏，iE很??；當(dāng)uE

UP時(shí)PN結(jié)正向?qū)?iE迅速增加。--分壓比

(0.35~0.75)UP--峰點(diǎn)電壓UF--PN結(jié)正向?qū)▔航礏2ERB1RB2B1AUBBiEuE2.單結(jié)晶體管的特性和參數(shù)iEuEUVUPIVUV、IV--谷點(diǎn)電壓、電流（維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。）UP--

峰點(diǎn)電壓（單結(jié)管由截止變導(dǎo)通所需發(fā)射極電壓。）B2ERB1RB2B1AUBBiEuE

uE<UV時(shí)單結(jié)管截止uE>UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通EB2B1NP單結(jié)晶體管符號(hào)單結(jié)晶體管符號(hào)單結(jié)管型號(hào)的各符號(hào)意義單結(jié)管的型號(hào)單結(jié)管的型號(hào)有BT31、BT32、BT33、BT35等,型號(hào)組成部分各符號(hào)所代表的意義如圖11.17所示。

2）管腳的判別方法對(duì)于金屬管殼的管子,管腳對(duì)著自己,以凸口為起始點(diǎn),順時(shí)針方向數(shù),依次是e、b1、b2。對(duì)于環(huán)氧封裝半球狀的管子,平面對(duì)著自己,管腳向下,從左向右,依次為e、b2、b1,國(guó)外的塑料封裝管管腳排列,一般也和國(guó)產(chǎn)環(huán)氧封裝管的排列相同,如圖11.14所示。

3）怎樣用萬用表識(shí)別單結(jié)晶體管的三個(gè)電極用萬用表R×100或R×1k電阻擋分別測(cè)試e、b1和b2之間的電阻值,可以判斷管子結(jié)構(gòu)的好壞,識(shí)別三個(gè)管腳,其示意圖如圖11.18所示。

3.單結(jié)晶體管振蕩電路uCttuouvuP振蕩波形RR2R1CUuCuOEB1B2(1)電路組成(a)uE=uC<UP

時(shí)，單結(jié)管不導(dǎo)通，uo

0。(2)振蕩過程分析IR1R1、R2是外加的，不同于內(nèi)部的RB1、RB2。前者一般取幾十歐~幾百歐；RB1+RB2一般為2~15千歐。此時(shí)R1上的電流很小，其值為：RR2R1CUuCuOEB1B2(b)隨電容的充電，uC逐漸升高。當(dāng)

uC

UP

時(shí)，單結(jié)管導(dǎo)通。然后電容放電，R1上便得到一個(gè)脈沖電壓。R2起溫度補(bǔ)償作用UPUVUP、UV--

峰點(diǎn)、谷點(diǎn)電壓ER2R1RCUuCuOuCtuot(c)電容放電至uc

uv時(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使

uo0。17.5單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路一、電路u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu3觸發(fā)電路主電路二、波形關(guān)系u2uabUZucb削波整流UZau2RbcDZUZ整流穩(wěn)壓電路部分UZ削波ucbudbUPUVueb電容充、放電UP-UD觸發(fā)脈沖UZR1R2RPCuccdeDZb單結(jié)晶體管電路部分u3uL輸出電壓ueb觸發(fā)脈沖可控硅橋式整流電路部分u3T1T2D1D2uLRLbeueb1.單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么接在同一個(gè)變壓器上？問題討論u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu32.觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu33.一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)起作用？其移相范圍（即控制角的變化范圍）有多大？ueb觸發(fā)脈沖24.輸出電壓如何調(diào)節(jié)，其大小如何計(jì)算？u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu31.單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么接在同一個(gè)變壓器上？保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時(shí)過零（即兩者同步），使電容在每半個(gè)周期均從零開始充電，從而保證每半個(gè)周期的第一個(gè)觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻相同（即角一樣），以使輸出平均電壓不變。u2uab整流ucb削波UZudbu3uebuL2.觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？穩(wěn)壓管的作用是：將整流后的電壓變成梯形（即削波），使單結(jié)管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個(gè)周期產(chǎn)生第一脈沖的時(shí)間，不受交流電源電壓變化的影響。UZR1R2RPCuccdeDZbudbUPUVueb3.一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)起作用？其移相范圍（即控制角的變化范圍）有多大？根據(jù)單結(jié)管的特性，它一旦觸發(fā)導(dǎo)通，在陽(yáng)極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發(fā)信號(hào)，仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)。因此，每半個(gè)周期中只有一個(gè)觸發(fā)脈沖起作用。觸發(fā)脈沖移相范圍的計(jì)算f—電源電壓的頻率R2R1aRPCucu2RbcdeDZudet4.輸出電壓如何調(diào)節(jié)，其大小如何計(jì)算？RP

電容充電速度變慢uL電壓的調(diào)節(jié)電壓的計(jì)算UL17.6晶閘管的其他應(yīng)用撥盤式密碼鎖控制電路123456789101112撥盤開鎖繼電器按鈕UCCJT3T2T1SD1D2R工作原理根據(jù)晶閘管的特性分析可知，開鎖時(shí)三個(gè)晶閘管的工作順序應(yīng)該是：T1–T2–T3。否則T3或T2將因陽(yáng)極和陰極間加不上電壓而不導(dǎo)通，繼電器線圈不通電，鎖打不開。1.開鎖時(shí)晶閘管工作情況UCCT3T2T1JD1D2T1導(dǎo)通時(shí)的路徑T1導(dǎo)通時(shí)的路徑如圖中虛線，此時(shí)發(fā)光管D2導(dǎo)通，給出指示信號(hào)。鎖打開2.開鎖過程根據(jù)開鎖時(shí)三只晶閘管導(dǎo)通順序的要求以及圖中連線，可知開鎖過程如下：撥盤撥至10T2導(dǎo)通按下ST3導(dǎo)通撥盤撥至2按下S撥盤撥至7按下ST1導(dǎo)通123456789101112UCCJT3T2T1SD1D2R此密碼鎖的開鎖密碼是：7--10--2結(jié)論改換密碼號(hào)的辦法：變更撥盤和晶閘管控制極的連線。防止長(zhǎng)期按下按鈕以撥動(dòng)撥盤而自動(dòng)開鎖的辦法：將撥盤中的某幾個(gè)點(diǎn)接地。使撥盤轉(zhuǎn)到該點(diǎn)時(shí)，按鈕按下后通過電阻（R）支路產(chǎn)生較大分流，使晶閘管中的電流降低到最小維持電流以下，迫使其關(guān)斷。從而防止瑣被打開。123456789101112UCCJT3T2T1SD1D2R17.7晶閘管的保護(hù)及其它類型1.晶閘管的保護(hù)晶閘管承受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。晶閘管的主要缺點(diǎn)：過流、過壓能力很差。晶閘管的熱容量很小，一旦過流，溫度急劇上升，器件被燒壞。例如：一只100A的晶閘管過電流為400A時(shí)，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將被燒壞；一、過流保護(hù)措施快速熔斷器：電路中加快速熔斷器。過流繼電器：在輸出端裝直流過電流繼電器。過流截止電路：利用電流反饋減小晶閘管的導(dǎo)通角或停止觸發(fā)，從而切斷過流電路。接在輸出端接在輸入端和晶閘管串聯(lián)~阻容吸收硒整流堆二、過壓保護(hù)：利用電容吸收過壓。即將過電壓的能量變成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存到電容中，然后由電阻消耗掉。：硒堆為非線性元件，過壓后迅速擊穿，其電阻減小，抑制過壓沖擊。硒堆~RCRRCC雙向晶閘管

1．結(jié)構(gòu)與特性雙向晶閘管是在普通晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的晶閘管,而且僅用一個(gè)觸發(fā)電路,是目前比較理想的交流開關(guān)器件。小功率雙向晶閘管一般用塑料封裝,有的還帶小散熱板,外形如圖所示。

小功率雙向晶閘管外形(a)BCM1AM;(b)BCM3AM雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)

(a)結(jié)構(gòu);(b)符號(hào)雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)。NPNPN五層器件。三個(gè)電極分別是T1、T2、G。因該器件可以雙向?qū)?故控制極G以外的兩個(gè)電極統(tǒng)稱為主端子,用T1、T2表示,不再劃分成陽(yáng)極和陰極。其特點(diǎn)是,當(dāng)G